化学键的磁本质：太阳系中，全部行星的总质量占不到太阳系总质量的百分之二，但全部行星的总角动量却占了太阳系总角动量的百分之九十八；

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化学键的磁本质（上）

　　一、前言

　　关于化学键的本质，过去一般都认为：由于原子与原子之间发生了电子的转移或共用，因而产生了原子与原子之间的静电引力，这种静电引力，使原子与原子结合成了分子；原子与原子之间的这种静电力，就是化学键的本质。这种说法，貌似有理，但却引出了一个问题：是什么性质的力，使原本处于电中性状态的原子相互之间产生了电子的转移或共用？这是一个令学生困惑、令老师头疼的问题；学生一直在追问，老师一直在回避。

　　二、化学键的本质是磁力

　　化学键的本质很简单，就是磁力。

　　化学键的磁力是由于电子的轨道运动而产生的。1900年，丹麦科学家玻尔，利用核外电子的轨道理论，非常成功地解释了氢原子的光谱。这已经证明了原子中电子轨道的客观实在性。既然有电子轨道，就必然有轨道电流；既然有轨道电流，就必然有轨道磁矩。所以，原子中的轨道磁矩，不管用什么眼光去看，都是不可否认的。当然，原子中还有核的自旋磁矩和电子的自旋磁矩，但是，核的自旋磁矩和电子的自旋磁矩，和电子的轨道磁矩相比是很小的；这有点和太阳系中的情况类似。在太阳系中，全部行星的总质量占不到太阳系总质量的百分之二，但全部行星的总角动量却占了太阳系总角动量的百分之九十八；几乎占有了太阳系全部的角动量。对于原子来说，由于原子核的内部结构与电子的内部结构，都和原子的结构存在着本质的不同，在普通的物理变化或化学变化中，原子核的结构和电子的结构也不可能发生改变，只有原子的结构能够发生改变。所以，在化学反应中，我们完全可以不考虑原子核的自旋磁矩和电子的自旋磁矩的影响，而只考虑电子的轨道磁矩的作用。这是正确认识化学键的磁本质的关键。

　　由于原子中电子轨道磁矩的存在，所以原子就像一个小磁体。当两个原子相遇时，它们的相反磁极就会相互吸引而结合在一起，形成一个分子。当然，也会出现两个原子的相同磁极相遇而相互排斥的状态，不过，这种相互排斥的状态是一种不稳定状态，在外界的扰动下随时都会翻转为异性磁极相吸引的稳定状态。所以，在一般的化学反应中，我们只考虑原子之间的异性磁极相吸引的作用，而不考虑原子之间的同性磁极相排斥的作用。

　　还需要说明的是，当原子之间发生磁作用时，原子之间的电作用也会如影随形般地发生变化，但这种电变化只是磁作用的影子，并且变化前后的两种效果是相等的，所以，在我们考虑原子中间的磁作用时，就不必再重复地去考虑原子的电变化了。

　　三、氢分子的磁力计算 σ键的本质

　　氢原子中的电子，在原子核的静电引力作用下绕核作周期性运动，这种周期性运动形成了一个电子电流圈（以下称“电子圈” ）；我们把一个电子圈用一个小箭头表示，箭头的方向代表电子运动的方向。如图1 所示。这个电子圈会产生磁场，根据毕奥---萨伐尔定律，一个电子圈的处的磁感应强度为

　　B=μ0ev/4πr2 (1)

　　式中μ0为磁导率，e为电子的电量，v为电子的轨道速度，r为电子圈的半径。将氢原子在基态时的数据代入上式，得

　　B=（10-7×1.6×10-19×2.2×106）/（0.53×10-10）2=12.53T

　　可见电子圈中心处产生的磁场是很强的。

　　氢原子是最简单的原子，原子核外只有一个电子圈。这个电子圈的磁矩使一个氢原子和另一个氢原子相吸引，吸引的结果是使两个氢原子结合在一起形成一个氢分子H2。两个氢原子的电子圈互相吸引时，它们的电子圈的磁矩方向是相同的，并且在同一条直线上；如果把每个氢原子比作一个小磁棒，则氢分子就像两个小磁棒首尾相接一样。两个氢原子结合成分子时，它们的电子圈都偏离了各自的原子核，相互靠近到两核之间的地方，组成了“电子圈组”；这个“电子圈组”，就是氢分子的化学键。电子圈组中的两个电流圈的平面相互平行，且和两核的连线垂直，如图2所示。这种由两个电子圈组成的化学键，就是过去化学键理论中所谓的“σ键”。在氢分子中，由于两个原子的电子圈的半径相同，磁力也相同，所以就使电子圈组居於两个原子核的正中间，不偏向任何一个原子核，分子的电偶极矩为零。

　　由于两个氢原子在未结合前都是电中性的，它们之间的化学结合力不是静电力而纯粹是电子圈之间的磁力，所以，在计算氢分子中的氢原子之间的化学结合力时，就不必考虑两原子的核和电子之间的、相互的静电力作用（因为这种作用的总效果为零），而只考虑电子圈之间的磁力吸引就可以了。这也使计算变得非常简单。

　　因为氢分子中的两个电子圈是相互吸引的，所以两个电子圈上的两个电子始终保持相同方向和最短距离，就像两个电子并排朝一个方向飞行一样。如果两个电子的距离（也就是两个电子圈平面之间的距离）用s表示，则这两个飞行的电子之间的相互作用力（就是安培力）可以表示为：

　　F=qvB=μ0e2v2/4πs2

　　从形式上看，两个运动电荷的安培力和两个静止电荷的库仑力F=kq2/r2具有相同的形式，它们都是和距离的平方成反比。

　　在库仑力场中，电子的势能为

　　E电=-ke2/r

　　从形式上类比的话，两电子圈之间的磁引力势能也应该有相同的形式，即

　　E磁=-μ0e2v2/4πs .

　　v为氢原子中基态时电子的轨道速度（2.2×106米/秒），s为两电子圈之间的距离。

　　当然，当两个氢原子形成氢分子时，两电子圈就偏离了各自的原子核，这时电子的轨道速度也应该有所变化，也就是不可能再等于2.2×10 6米/秒了。这将使氢分子的两电子圈间的磁引力势能的准确数值无法计算。不过，我们还是可以利用上式对氢分子的有关参数进行估算。由实验测定知道，氢分子的离解能是432千焦/摩尔，这也是氢分子中磁键的能量。根据这个数据，利用上式可以计算氢分子中两电子圈之间的距离

　　s =μ0e2v2/4πE磁=10-7（1.6×10-19）2（2.2×106）26.02×1023/432000=1.72×10-14米

　　这个距离是很小的，它相当于氢原子基态半径的3.23×10-4倍。

　　两个电子圈之间的磁引力